TEMA 15: PRODUCCION DE ANTIBIOTICOS Dr. Pedro F. Mateos
I. INTRODUCCION Los antibiti!os antibiti!os son son "rod#!tos de$ %etabo$is%o %i!robiano &#e son !a"a!es de %atar o in'ibir e$ !re!i%iento de otros %i!roor(anis%os a ba)as !on!entra!iones. D#rante $a II *#erra M#ndia$ $a de%anda de a(entes &#i%iotera"+#ti!os "ara tratar $as in,e!!iones de $as 'eridas !ond#)o a$ desarro$$o de #n "ro!eso de "rod#!!in "ara $a "eni!i$ina "eni!i$ina - a$ ini!io de $a era de inesti(a!in inesti(a!in sobre $os antibiti!os. En $a a!t#a$idad !ontin#a siendo #na de $as /reas %/s i%"ortante de inesti(a!in dentro de $a Mi!robio$o(0a Ind#stria$. E$ n%ero de antibiti!os des!ritos antibiti!os des!ritos !ontina a#%entando debido a $os "ro(ra%as intensios de bs&#eda en todos $os "a0ses ind#stria$es. En 1231 eran !ono!idos 514 antibiti!os 6783 en 1289 8357 en 125 - en 1227 a$rededor de 777. Cada a;o se dete!tan a"ro son !o%"onentes se!#ndarios de $as ,er%enta!iones de antibiti!os !ono!idos. De$ (ran n%ero de antibiti!os !ono!idos de ori(en %i!robiano so$a%ente 194 se "rod#!0an "or ,er%enta!in en 126. Ade%/s %/s de 57 antibiti!os se "rod#!0an !o%o !o%"#estos se%isint+ti!os - 4 antibiti!os ?!$oran,eni!o$ ,os,o%i!ina - "irro$nitrina@ se "rod#!en en ,or%a !o%"$eta%ente !o%"$eta%ente sint+ti!a. Los antibiti!os son "rod#!idos son "rod#!idos "or "or ba!terias - 'on(os. Entre $os 'on(os 'on(os so$a%ente 17 de $os antibiti!os !ono!idos se "rod#!en !o%er!ia$%ente so$a%ente $as "eni!i$inas !e,a$os"orina C (riseo,#$ina - /!ido ,#s0di!o tienen i%"ortan!ia !$0ni!a. En $as ba!terias $as ba!terias e
se en!#entra en $os a!tino%i!etos es"e!ia$%ente en e$ (+nero Streptomyces. La "rod#!!in %#ndia$ de antibiti!os en 1282 estaba "or en!i%a de $as 177.777 tone$adas "or a;o. Las entas br#tas an#a$es s$o en USA eran de 1777 %i$$ones de d$ares !on $a !e,a$os"orina en $a "osi!in de !abea se(#ida de $a a%"i!i$ina - $as tetra!i!$inas. Antes de 1237 a"ro de $os antibiti!os re!iente%ente ais$ados eran ti$es tera"+#ti!a%ente. En $os a;os si(#ientes ,#eron des!#biertos n#eos antibiti!os a #na e$o!idad a"ro entre 1231=1235 a$ 1> entre 1233=1281. Esto se debe ,#nda%enta$%ente a #n a#%ento seero en $os !ostes de$ desarro$$o - de $as "r#ebas !$0ni!as de ,or%a &#e %#!'os ,abri!antes "rod#!en so$a%ente a&#e$$os !o%"#estos &#e !$ara%ente %#estran #n "ro(reso tera"+#ti!o "ro%etedor. Por t+r%ino %edio se ne!esitan a$rededor de =17 a;os "ara desarro$$ar #n n#eo antibiti!o a #n !oste %edio de 17<173 = 97<173 d$ares ?9577 %i$$ones de "esetas 15 %i$$ones de e#ros@. La obten!in de %e)ores antibiti!os se $$ea a !abo "or %odi,i!a!in de $os !o%"#estos !ono!idos #ti$iando %edios �%i!os o (en+ti!os ?%#tas0ntesis ,#sin de "roto"$astos te!no$o(0a de$ DNA re!o%binante@. Sin e%bar(o so$a%ente "or "ro!esos de S!reenin( "#eden es"erarse en!ontrar antibiti!os !on estr#!t#ras b/si!as entera%ente n#eas es"e!ia$%ente "or $a #ti$ia!in de n#eos "ro!edi%ientos de "r#eba - "or $a inesti(a!in en n#eos (r#"os de %i!roor(anis%os.
II. PRODUCCION DE PENICILINAS Los antibiti!os =$a!t/%i!os se !ara!terian "or "oseer en s# estr#!t#ra e$ ani$$o =$a!t/%i!o &#e est/ !o%"#esto "or 4 /to%os de !arbono - 1 /to%o de nitr(eno. Los antibiti!os =$a!t/%i!os se "#eden diidir en !in!o !$ases di,erentes: Peni!i$inas C$aa%as Ce,a$os"orinas Monoba!ta%as Carba"ene%as
Las "eni!i$inas - !e,a$os"orinas "ertene!en a $os %/s e,e!tios de todos $os a(entes tera"+#ti!os #sados en e$ !ontro$ de $as en,er%edades in,e!!iosas. La "eni!i$ina ,#e des!rita "or F$e%in( en 1292. Un (r#"o de inesti(a!in en O<,ord ba)o $a dire!!in de F$ore- - C'ain $a ais$ a "artir de !#$tios de Penicillium notatum en 1267 - $a "ri%era a"$i!a!in !$0ni!a de $a "eni!i$ina se rea$i en 1261. Las "eni!i$inas son "rod#!idas "or %#!'os 'on(os "arti!#$ar%ente es"e!ies de Penicillium - Aspergillus. Las "eni!i$inas nat#ra$es son e,e!tias !ontra n#%erosas ba!terias *ra% . Son $/bi$es en %edio /!ido - "#eden ser ina!tiadas "or 'idr$isis de$ ani$$o = $a!t/%i!o !on "eni!i$inasas. Debido a s# ba)a to@. Los antibiti!os =$a!t/%i!os son in'ibidores es"e!0,i!os de $a s0ntesis de "e"tido($i!ano !o%"onente de $a "ared !e$#$ar ba!teriana. Son an/$o(os estr#!t#ra$es de $a D=a$ani$=D=a$anina - "or e$$o se !onsidera &#e estos ,/r%a!os se #nen a $as trans"e"tidasas a $as &#e ina!tian irreersib$e%ente. A$(#nas "eni!i$inas son %enos e,e!tias ,rente a Ba!terias * = debido a &#e $a %e%brana e
1.= Estr#!t#ra �%i!a La estr#!t#ra b/si!a de $as "eni!i$inas es e$ /!ido 3=a%ino"eni!i$/ni!o ?3=APA@ &#e !onsiste en #n ani$$o tiao$id0ni!o !on #n ani$$o =$a!t/%i!o !ondensado. E$ 3=APA $$ea #na "arte ariab$e a!i$ada en $a "osi!in 3. Si $a ,er%enta!in de "eni!i$ina se $$ea a !abo sin adi!in de "re!#rsores de $a !adena $atera$ se "rod#!en $as "eni!i$inas nat#ra$es. A "artir de esta %e!$a so$a%ente es ti$ tera"+#ti!a%ente $a ben!i$"eni!i$ina $os otros !o%"#estos deben ser e$i%inados d#rante $a eta"a de re!#"era!in de$ "rod#!to. La ,er%enta!in "#ede ser !ontro$ada %e)or a;adiendo #n "re!#rsor de $a !adena $atera$ de ,or%a &#e so$a%ente se "rod#!a #na "eni!i$ina deseada. M/s de 177 "eni!i$inas biosint+ti!as 'an sido "rod#!idas de esta ,or%a. En $os "ro!esos !o%er!ia$es sin e%bar(o so$a%ente 'an sido "rod#!idas $a "eni!i$ina * $a "eni!i$ina - !antidades %#- $i%itadas de "eni!i$ina O. Uti$iando e$ /!ido ,eno
%edio /!ido - &#e "#ede "or tanto s#%inistrarse "or 0a ora$ a$ !ontrario de $o &#e o!#rre !on $a "eni!i$ina * -a &#e debido a s# sensibi$idad a $os /!idos no se "#ede ad%inistrar ora$%ente "#esto &#e es 'idro$iada en e$ est%a(o. A di,eren!ia de $as anteriores $as "eni!i$inas se%isint+ti!as in!$#-en diersas "eni!i$inas obtenidas a$ a;adir �%i!a%ente #na (ran ariedad de !adenas $atera$es a$ /!ido 3=APA. Penicillium chrysogenum "#ede sintetiar este /!ido si e$ %edio de !#$tio !are!e de "re!#rsores de $a !adena $atera$. Sin e%bar(o $a "rod#!!in de 3=APA en estas !ondi!iones es tan "e&#e;a &#e 'a!e iniab$e este "ro!edi%iento. La dea!i$a!in �%i!a ta%"o!o es rentab$e "#es este "ro!eso !o%"rende tres eta"as &#e deben $$earse a !abo a ba)a te%"erat#ra - en !ondi!iones an'idras estri!tas re&#iri+ndose ade%/s arios so$entes �%i!os. Por estas raones $a "rod#!!in ind#stria$ de$ 3=APA ne!esario "ara $a ,abri!a!in de "eni!i$inas se%isint+ti!as se rea$ia "or dea!i$a!in eni%/ti!a de $a "eni!i$ina *. Este "ro!eso bio$(i!o se basa en $a "rod#!!in "or !iertas ba!terias de a!i$asas &#e e$i%inan e$ (r#"o ben!i$o. La dea!i$a!in se rea$ia en G9O a 48HC $o &#e red#!e !onsiderab$e%ente $os !ostes. Des"#+s de $a dea!i$a!in se obtiene #na so$#!in de sa$es sdi!as de$ /!ido ,eni$a!+ti!o - 3= APA. E$ ,eni$a!+ti!o re!#"erado se "#ede #ti$iar "osterior%ente "ara $a "rod#!!in de "eni!i$ina *. Debido a s#s %e)ores !ara!ter0sti!as ?estabi$idad a $a a!ide resisten!ia a =$a!ta%asas %a-or es"e!tro anti%i!robiano@ $as "eni!i$inas se%isint+ti!as 'an $$e(ado a ser e de $as "eni!i$inas nat#ra$es "rod#!idas !o%er!ia$%ente se #ti$ian en %edi!ina '#%ana e$ 19> en eterinaria - e$ 64> !o%o %ateria$ de "artida "ara $a "rod#!!in de "eni!i$inas se%isint+ti!as.
9.= Bios0ntesis - re(#$a!in E$ ani$$o =$a!t/%i!o=tiao$id0ni!o de $a "eni!i$ina se "rod#!e a "artir de L= !iste0na - L=a$ina. La bios0ntesis se "rod#!e "or %edio de #n di"+"tido !o%"#esto de /!ido L=a=a%inoad0"i!o ?L=α=AAA@ - L=!iste0na. S#bse!#ente%ente se !one!ta $a L=a$ina %ediante #na rea!!in de e"i%eria!in dando $#(ar a $a ,or%a!in de$ tri"+"tido d=?L= α=a%inoadi"i$@=L= !isteini$=D=a$ina. E$ "ri%er "rod#!to de $a !i!$a!in de$ tri"+"tido &#e "#ede ser ais$ado es $a iso"eni!i$ina N "ero no se !ono!en $as rea!!iones bio�%i!as &#e !ond#!en a este inter%ediario. La ben!i$"eni!i$ina se "rod#!e en e$ inter!a%bio de L=α=AAA ?L=a=a%inoad0"i!o@ !on /!ido ,eni$a!+ti!o a!tiado. E$ 3=APA &#e no es #n "rod#!to inter%ediario de bios0ntesis se e
Se !ono!en arios %e!anis%os re(#$adores en $a bios0ntesis de $a "eni!i$ina. E$ a%ino/!ido $isina es sintetiado a "artir de $a 0a &#e ori(ina e$ /!ido L= α= a%inoad0"i!o de ,or%a &#e $a "eni!i$ina - $a $isina !o%"arten #na r#ta biosint+ti!a ra%i,i!ada !o%n. La $isina in'ibe $a s0ntesis de "eni!i$ina debido a &#e in'ibe "or retroa$i%enta!in a $a 'o%o!itrato sintasa #n eni%a i%"$i!ado en $a s0ntesis de L= α=AAA. Si e$ L= α=AAA es de,i!iente no "#ede sintetiarse "eni!i$ina. Sin e%bar(o $a retrorre(#$a!in "or $isina no "are!e ser #na eta"a $i%itante en $a bios0ntesis de "eni!i$ina. La bios0ntesis de "eni!i$ina se e a,e!tada "or $a !on!entra!in de ,os,ato - ta%bi+n %#estra #na !$ara re"resin !atab$i!a "arti!#$ar%ente "or ($#!osa.
4.= Desarro$$o de !e"as La "rod#!!in de "eni!i$ina "or $a !e"a ais$ada "or F$e%in( era de a"ro
Los "rin!i"a$es aan!es en e$ "ro!esa%iento 'an sido obtenidos a tra+s de$ s!reenin( e%"0ri!o de %#tantes. Gasta %itad de $os a;os 37 $os %#t/(enos #ti$iados %/s ,re!#ente%ente eran $os ra-os %ostaa nitro(enada - radia!iones de $on(it#d de onda !orta. M/s re!iente%ente 'an sido #ti$iados !o%o %#t/(enos $a nitroso(#anidina $os a(entes a$&#i$antes $osnitritos. A "rin!i"ios de $os 87 $a %e)ora de !e"as "or e$ %ero #so de $a %#ta!in 'ab0a a$!anado s# $0%ite. E$ des!#bri%iento de #n !i!$o "arase<#a$ en Penicillium chrysogenum "ro"or!ion #na ,or%a de #ti$iar $a re!o%bina!in (en+ti!a "ara e$ desarro$$o de !e"as. Se des!ribieron di"$oides 'eteroi(ti!os &#e ten0an t0t#$os de "eni!i$ina s#"eriores a $os de $as !e"as 'a"$oides "arenta$es.
Sin e%bar(o e$ %a-or "or!enta)e de !e"as !on "rod#!!in s#"erior de "eni!i$ina se "rod#)o a "artir de $os 'a"$oides se(re(antes de $os !r#!es entre %#tantes de di,erentes $0neas. La t+!ni!a de ,#sin de "roto"$astos abri #n n#eo en,o&#e en e$ desarro$$o de !e"as de a$ta "rod#!!in obteni+ndose rendi%ientos de$ > s#"eriores a $os obtenidos "or %#ta!in - se$e!!in. Ade%/s a$(#nas de $as !e"as res#$tantes 'an tenido %e)ores !ara!ter0sti!as de !re!i%iento !o%o es"or#$a!in %/s estab$e - %e)or !re!i%iento "ara $a "rod#!!in de$ in!#$o. E$ #so de $a in(enier0a (en+ti!a "ara a#%entar $a s0ntesis de eni%as &#e !ata$ian "asos $i%itantes %ediante $a a%"$i,i!a!in (+ni!a o %e)ora de $a trans!ri"!in no 'a sido toda0a "osib$e en Penicillium chrysogenum debido a $a a#sen!ia de datos biosint+ti!os "re!isos - a $a a#sen!ia de b#enos siste%as e!tor= 'os"edador. Sin e%bar(o se 'a !onstr#ido #n ban!o de (enes "ara Penicillium chrysogenum - se 'a desarro$$ado #n siste%a de trans,or%a!in.
6.= M+todos de "rod#!!in La "eni!i$ina * - $a "eni!i$ina son "rod#!idas #ti$iando "ro!esos s#%er(idos en ,er%entadores de 67.777=977.777 $itros. Debido a $as di,i!#$tades en e$ s#%inistro de o<0(eno no "#eden ser e%"$eados tan&#es %a-ores. La ,er%enta!in de "eni!i$ina es #n "ro!eso aerbi!o !on #na e$o!idad de absor!in o$#%+tri!a de o<0(eno de 76=7 %M$ %in. La e$o!idad de airea!in re&#erida est/ entre 75=17 % de"endiendo de $a !e"a de$ biorrea!tor - de$ ti"o de i%"#$sor. Para e$ %e!$ado se s#e$en #ti$iar arios i%"#$sores de ti"o t#rbina ?197=157 r"%@. E$ ran(o de te%"erat#ra "ti%a es de 95=98HC. Un es&#e%a t0"i!o de "rod#!!in de "eni!i$ina se %#estra en $a ,i(#ra. E$ in!#$o se ini!ia #ti$iando es"oras $io,i$iadas. Debido a $a (ran ariabi$idad de $as !e"as de a$ta "rod#!!in es ne!esario e$ %anteni%iento !#idadoso de $as !e"as. La !on!entra!in de es"oras ?"ti%a 5<174 %$@ - $a ,or%a!in de a(re(ados son !r#!ia$es "ara e$ rendi%iento s#bse!#ente. Si se &#iere !onse(#ir #na e$o!idad "ti%a de ,or%a!in de "eni!i$ina $os a(re(ados ?"e$$ets@ no deben !re!er !o%o bo$as !o%"a!tas sino de #na ,or%a s#e$ta. Des"#+s de arias eta"as de !re!i%iento est/ "re"arado e$ !#$tio de "rod#!!in. En $a ,er%enta!in t0"i!a de "eni!i$ina e
e "eso se!o@. Una ,#ente de Nitr(eno adi!iona$ 'arina de so)a e de$ tota$@. Los "ro!esos !on a$i%enta!in de ($#!osa o %e$aas ta%bi+n tienen + de $a ,#ente de !arbono %etabo$iada se #ti$ia "ara e$ %anteni%iento ener(+ti!o e$ 95> "ara e$ !re!i%iento - s$o e$ 17> "ara $a "rod#!!in de "eni!i$ina. Se 'a intentado $a "rod#!!in de "eni!i$ina "or ,er%enta!in !ontin#a "ero 'a sido di,0!i$ debido a $a inestabi$idad de $as !e"as de "rod#!!in. Co%o a$ternatia se 'a s#(erido #n siste%a de tan&#e de $$enar - sa!ar. En este "ro!edi%iento e$ 97=67> de$ !ontenido de $a ,er%enta!in se sa!a - se ree%"$aa !on so$#!in ,res!a de n#trientes este "ro!eso "#ede ser re"etido 'asta die e!es sin red#!!in de$ rendi%iento. Se est/ $$eando a !abo #na intensa inesti(a!in "ara "rod#!ir "eni!i$ina !on !+$#$as in%oi$iadas. En #n est#dio a es!a$a de $aboratorio se de%ostr $a enta)a de este en,o&#e sobre e$ #so de siste%as dis!ontin#os a$i%entados "ero esta t+!ni!a no 'a sido introd#!ida toda0a a nie$ !o%er!ia$. La "eni!i$ina es e "er%ane!e #nida a$ %i!e$io. Des"#+s de $a se"ara!in de$ %i!e$io $a re!#"era!in de$ "rod#!to se $$ea a !abo "or %edio de dos eta"as de e.
